碳纳米材料提高草坪堆肥基质木霉数量的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用碳纳米材料提高草坪堆肥基质木霉数量的方法，主要是从草坪基质微生物调控角度，以生活垃圾堆肥组配为草坪基质,以向其中混四种不同碳纳米材料作为处理组，通过草坪植物培养，研究添加不同碳纳米材料一段时间后，以提高基质中木霉数量。通过将碳纳米材料添加进草坪建植体系后，实现基质木霉数量菌数量的调控，本发明专利技术在添加纳米材料后，木霉菌属数量升高，而致病菌镰刀菌属数量下降，很可能是因为碳纳米材料的加入加强了木霉菌对镰刀菌的拮抗作用。为碳纳米材料在垃圾堆肥草坪基质中木霉数量应用提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境保护
，涉及一种采用碳纳米材料提高草坪堆肥基质木霉培养数量的方法。
技术介绍
碳纳米材料是三维结构中至少有一个小于100 nm的材料。碳纳米材料具有尺寸小，比表面积大，表面能高，表面原子比例大的特点，在力学、光学、热学、电学等方面表现出了优异性能。纳米颗粒存在很多微界面, 各种界面反应可以通过其强化, 在土壤重金属污染以及污水净化方面发挥着显著的作用。碳元素在自然界含量非常高，对于有机物和生命体也非常重要。1985 年，科学家发现了由60 个C原子组成的C60。随后碳纳米管和石墨烯等也相继被发现。2004年, Geim等人成功制备出了单层石墨烯。之后随着石墨烯在光、电、热、磁上的特殊性质被陆续发现, 有关碳材料的研究又进入了一个全新的领域。随着科学技术、现代工业的快速发展以及人口的不断增加，世界上很多国家都呈现出水体、土壤以及大气污染日益严重的趋势。报道指出，中国50%的河流以及80%以上的湖泊已经遭受到了污染，地表水的Ⅲ类水质标准中国的许多湖泊已经达不到了。全国的耕地中有8000万hm 2以上受到了不同程度的污染, 而其中最突出的问题就是有机污染物以及重金属的污染, 这一情况已经严重制约了中国可持续发展战略的实施，甚至威胁到了国人的健康。传统的水体修复技术比如截污、底泥疏浚等虽然暂时能够起一些作用，但是都治标不治本，而生物修复限制因素有很多，比如环境温度和酸碱性等, 这就使得生物修复客观上存在着很大的局限性。作为传统的污染土壤修复方法，客土法、淋滤法费时费力，并且对于大面积的修复起不到很好的作用。与传统的环境修复方法相比较, 将纳米材料用于重金属修复，因其超强的吸附能力和超大的比表面积，不仅不存在传统方法的缺点，还表现出极高的修复效率。另外大气污染方面形势也是十分严峻，空气中超标的SO2、 CO和NOx等时刻威胁着我们的身体健康。纳米材料具有极佳的催化效率，甚至能够催化极不易发生的反应为解决产生大气污染问题提供了新的方法和思路。因此，利用纳米材料解决水体和土壤以及大气的污染问题越来越值得人们关注。而碳纳米材料的研究又是其中极有发展前景的领域。近年来的研究发现碳纳米管能够有效的吸附水体中重金属离子。Li 等的实验表明碳纳米管能够吸附水体中的铅离子，并且与溶液的PH值有很大的相关性。随着溶液 pH值的增加，碳纳米管对铅离子的吸附能力也随之增大。Langmuir和 Freundlich 模型可以解释这个吸附过程。随后，Li 等还研究了不同氧化方式处理的碳纳米管对镉离子的吸附效果比较，发现经过氧化处理后，碳纳米管的比表面积显著增加，表面官能团的数量也有明显增多。具体来说，碳纳米管经KMnO4氧化之后的吸附效果明显高于 H2O2和 HNO3的氧化效果。另外，Li 等人接下来又进行了碳纳米管吸附铜离子的实验、研究了不同形态的碳纳米管对铅离子的吸附比较、碳纳米管对铅离子的吸附动力学性质以及解吸附的情况，并且讨论了碳纳米管对铅离子、铜离子以及镉离子在相同溶液中的竞争吸附情况。研究发现，碳纳米管对对溶液中以上三种不同离子的吸附顺序为Pb2+＞Cu2+＞Cd2+， 其中对铅离子（Pb2+）、铜离子（Cu2+）的吸附可以用Langmuir 方程解释。李延辉等利用HNO3氧化处理的碳纳米管进行了对Pb2+的吸附实验。研究发现HNO3氧化处理之后的碳纳米管表面积明显增大，另外-OH、-CO、-COOH等官能团被引入到了碳纳米管的表面。这能够明显增强碳纳米管吸附Pb2+的作用面积以及作用力，从而提高碳纳米管对Pb2+的吸附量。结果表明，吸附量随着温度的升高而升高，这说明碳纳米管对Pb2+的吸附是一个放热过程。再生试验表明，吸附效果随pH值的增加而显著增加。当pH低至2时，碳纳米管上吸附的Pb2+脱附率到了85%，从而为实现碳纳米管吸附材料的循环利用提供了理论依据。除此之外，石墨烯和氧化石墨烯对于有机物污染以及由石油泄露造成的环境污染也有很强的修复作用。石墨烯改性之后对环境中污染物的吸附效果更佳，并且吸附量增大、性能更加稳定。Chen 等人]制备出的三维多孔氧化石墨烯薄膜在选择吸附方面表现出了巨大的潜力。它吸附机油的重量能够达到自身重量的37 倍，吸附有机溶剂的重量则大于自身重量的 26 倍，它的吸附效果相比片状石墨烯和泡沫石墨烯高很多。除此之外，该多孔氧化石墨烯薄膜的性质十分稳定，可利用己烷去除表面的吸附物质之后循环利用。较高的吸附量和较长的循环使用次数使得该三维多孔氧化石墨烯薄膜去除有机物以及清理石油污染方面表现出了极大的应用前景。上述分析表明，石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料在环境领域的应用主要在土壤、水体以及大气污染修复方面，而作为生物调控剂进行应用，尤其碳纳米材料在堆肥草坪基质中作为微生物调控剂，研究目前尚无文献报道。随着我国经济增长和城市化速度的加快，城市生活和生产过程中产生的垃圾废物呈现显著增加的趋势。与此同时，生活垃圾的配套处理却还不够完备，大量垃圾暴露在城市中，对环境造成了很大的影响。堆肥化处理是城市生活垃圾处理及资源化比较便捷的方式，这不仅能够消化城市中的生活垃圾，缓解了生活垃圾带来的城市环境压力，同时也生产出了大量堆肥肥料供给农业生产。生活垃圾中含有大量植物生长所必需的营养元素，因此将生活垃圾堆肥化处理并将堆肥用于农业生产是其资源化利用的有效途径。研究发现将适量垃圾堆肥添加到土壤当中能够有效增加作物产量。因土壤理化性质以及作物类型不同，其增幅也存在显著差异。周德智等]研究了添加垃圾堆肥后，黄棕壤、潮土以及红壤中种植的小麦产量变化。结果显示，添加适量垃圾堆肥后，作物均有增产效果，其中红壤土效果最好。贺立源等研究发现，小白菜的产量随着垃圾堆肥施用量的提高而增加，且与对照相比差异达到显著水平。此外，堆肥的施用不仅对作物产量有影响，对作物的品质也有显著的提高效果。方亭等人的研究发现，将垃圾堆肥添加到棕红壤土中，土壤作物油菜的籽粒中蛋白质的含量显著升高，大豆籽粒中所含的蛋白质明显增加。然而，近些年来人们也开始意识到垃圾堆肥中不仅含有营养物质，同时还含有一定量的重金属，如果长期施用会增加土壤中重金属的含量。因此,将堆肥用于农业生产可能会带来一系列的食品安全问题。可见，避开食物链实现垃圾堆肥的资源化利用意义重大。不仅如此，为防止堆肥利用导致土壤重金属污染，甚至给生态环境带来威胁，在应用的同时必须考虑重金属修复的问题。传统的草皮生产通常是利用优质土壤。这会对土壤的物理性质产生很大的影响，导致肥力下降。另外草皮生产时2 cm以上的耕层土壤会被带走，肥沃的耕层土壤进入城市生态系统，而经过几次的草皮生产之后，农田土壤将变得越来越贫瘠，以致于最终无法再进行农业生产, 这是对国土资源极大的浪费。如果草坪建植以生活垃圾堆肥作为基本体系，不仅能够消化城市垃圾，还能够减轻草坪生产带给耕层土壤的破坏作用。纳米技术近年来发展十分迅速，在材料、信息、环境等方面均表现出了广阔的应用前景。虽然已经有一些研究理论研究，表明纳米材料会对微生物的生长产生不同程度的影响，但应用其调控作用，还尚无相关技术报道。真菌属于真核微生物，在自然界中的分布非常广泛，真菌的多样性对于生物圈的稳态和平衡发挥着重要的作用，同时真菌也为人类本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用碳纳米材料提高草坪堆肥基质真菌培养数量的方法，其特征在于按如下的步骤进行：（1）实验材料实验用土壤取0‑20 cm表层土壤；供试纳米炭黑粒径为20~70 nm，比表面积为 1200 m2/g，pH 值为7.0，实验前利用KMnO4对其改性处理；石墨烯微片尺寸0.5‑20 um，厚度5‑25 nm，比表面积40‑60 m2/g，密度约2.25 g/cm3，电导率 8000‑10000 S/m，含碳量>99.5%；氧化石墨烯平均厚度3.4‑7 nm，片层直径10‑50 μm，比表面积100‑300 m2/g，纯度>90%；碳纳米管直径20‑40 nm，长度10‑30 um，‑COOH含量1.43%，纯度>90wt%，灰粉<8wt%，比表面积>110 m2/g，导电：>102 s/cm；（2）实验方法：取土后立即测量土壤含水量，计算得到土壤干重与湿重的比例，按照比例算得干重1500 g所对应的湿土重量，称得相应重量的湿土与30 g垃圾堆肥混合，搅拌均匀，装入内径15 cm高20 cm的塑料花盆中，共装15盆；实验共设5个处理：石墨烯（G）、氧化石墨烯(GO)、碳纳米管(CNT)、改性纳米炭黑(CB)按干土重1%的比例分别加入，添加碳纳米材料后充分混匀，以不添加碳纳米材料的处理为对照（CK），每盆播种高羊茅种子5g，培养期间温度为 19~27 ℃，相对湿度为 60~72%，每天给土壤补充水分，使土壤湿度保持在土壤持水量的70%，培养130d后，将盆中0‑5cm深度土壤取出混匀，过60目筛，冰箱‑20℃保存，供微生物分离与计数分析。...

【技术特征摘要】
1.一种采用碳纳米材料提高草坪堆肥基质真菌培养数量的方法，其特征在于按如下的步骤进行：（1）实验材料实验用土壤取0-20 cm表层土壤；供试纳米炭黑粒径为20~70 nm，比表面积为 1200 m2/g，pH 值为7.0，实验前利用KMnO4对其改性处理；石墨烯微片尺寸0.5-20 um，厚度5-25 nm，比表面积40-60 m2/g，密度约2.25 g/cm3，电导率 8000-10000 S/m，含碳量>99.5%；氧化石墨烯平均厚度3.4-7 nm，片层直径10-50 μm，比表面积100-300 m2/g，纯度>90%；碳纳米管直径20-40 nm，长度10-30 um，-COOH含量1.43%，纯度>90wt%，灰粉<8wt%，比表面积>110 m2/g，导电：>102 s/cm；（2）实验方法：取土后立即测量土壤含水量，计算得到土壤干重与湿重的比例，按照比例算得干重1500 g所对应的湿土重量，称得相应重量的湿土与30 g垃圾堆肥混合，搅拌均匀，装入内径15 cm高20 cm的塑料花盆中，共装15盆；实验共设5个处理：石墨烯（G）、氧化石墨烯(GO)、碳纳米管(CNT)、改性纳米炭黑(CB)按干土重1%的比例分别加入，添加碳纳米材料后充分混匀，以不添加碳纳米材料的处理为对照（CK），每盆播种高羊茅种子5g，培养期间温度为 19~27 ℃，相对湿度为 60~72%，每天给土壤补充水分，使土壤湿度保持在土壤持水量的70%，培养130d后，将盆中0-5cm深度土壤取出混匀，过60目筛，冰箱-20℃保存，供微生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵树兰，多立安，郑亚南，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：天津;12